Los robots colaborativos (cobots) están diseñados para trabajar con humanos y respaldar la producción flexible en las fábricas de la Industria 4.0. En comparación con los robots industriales tradicionales, los cobots son más simples, más fáciles de configurar y no requieren espacios de trabajo aislados de forma segura. Debido a que están diseñados para trabajar con personas, los cobots se construyen de manera diferente a otros robots industriales, incluyendo características como sistemas de detección de colisiones, retroalimentación de fuerza, actuadores elásticos y servomotores de baja inercia.
Dado que tienen un diseño diferente, se han desarrollado normas de seguridad específicas para los cobots. La Especificación Técnica de la Organización Internacional de Normalización (ISO/TS) 15066 especifica los requisitos de seguridad para los cobots industriales y sus entornos de trabajo. Complementa los requisitos y las directrices sobre el funcionamiento de cobots en las normas ISO 10218‑1 e ISO 10218‑2.
Este artículo revisa brevemente los requisitos de ISO/TS 15066 y cómo encajan con ISO 10218-1 y 10218-2. Luego considera las complejidades de la colaboración, incluida cómo se define el espacio de trabajo colaborativo. Examina factores relacionados con la seguridad de los robots, como las características de seguridad integradas en los cobots y qué funciones de seguridad externas se necesitan, junto con dispositivos ejemplares como sensores de proximidad, cortinas de luz y tapetes de contacto de seguridad. Se cierra con una breve revisión de algunas aplicaciones específicas de las consideraciones de seguridad de los cobots.
Existen varias normas de seguridad clave para robots y cobots industriales. ISO/TS 15066 detalla los requisitos de seguridad para los sistemas de cobot industriales y el entorno de trabajo y fue escrita para desarrollar y complementar los requisitos limitados de normas anteriores como la serie ISO 10218. ISO 10218-1 se centra en robots y dispositivos robóticos en general, mientras que ISO 10218-2 se centra en sistemas e integración de robots. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares/Asociación de la Industria de la Robótica (ANSI/RIA) R15.06 es una adopción nacional de ISO 10218-1 e ISO 10218-2.
Complejidades de la colaboración
Antes de entrar en detalles sobre la seguridad de los cobots, resulta útil definir la colaboración. La colaboración en robótica es compleja e incluye tres factores:
- Un cobot es un “robot diseñado para la interacción directa con un humano dentro de un espacio de trabajo colaborativo definido”, según ANSI/RIA R15.06.
- Una operación colaborativa es un "estado en el que un sistema robótico diseñado expresamente y un operador trabajan dentro de un espacio de trabajo colaborativo", según ISO/TS 15066.
- Finalmente, un espacio de trabajo colaborativo es el “espacio de trabajo dentro del espacio protegido donde el robot y un humano pueden realizar tareas simultáneamente durante la operación de producción”, según ANSI/RIA R15.06.
Todo se reduce a la definición del espacio de trabajo colaborativo "dentro del espacio protegido". El espacio protegido incluye una capa de protección de seguridad además de las funciones de seguridad estándar incluidas en el cobot.
Las características de protección comunes integradas en los cobots incluyen sistemas de detección de contactos basados en mediciones de torsión en cada articulación que monitorean impactos inesperados, obstrucciones o fuerzas o torsión excesivas. También debe haber sistemas de frenado automático y liberación manual de frenos para mover el brazo sin energía.
El contacto inesperado con la persona por parte del cobot es una preocupación particular. Las normas dictan que se debe evitar el contacto en cualquier parte de la cabeza de una persona. Además, la norma divide el cuerpo en 29 áreas específicas y detalla limitaciones para dos tipos de contacto:
- Transitorio El contacto es un evento dinámico y en movimiento en el que el cobot golpea a una persona. Las limitaciones se basan en la ubicación, la inercia y la velocidad relativa.
- Cuasi-estático El contacto se produce cuando una parte del cuerpo queda atrapada entre el cobot y una superficie. Las limitaciones se basan en la presión y la fuerza relacionadas con los efectos de aplastamiento y sujeción.
La especificación proporciona orientación, no límites absolutos, basándose en consideraciones de aplicación. También afirma que la guía es informativa y refleja las mejores prácticas actuales, ya que la colaboración entre personas y robots es un campo nuevo y la investigación está en curso.
Continuidad de colaboración
No existe una única aplicación colaborativa. Las personas y los cobots pueden interactuar y colaborar de diversas formas. Las aplicaciones colaborativas van desde la coexistencia, donde un robot se detiene cuando una persona ingresa al espacio de trabajo colaborativo, hasta una actividad interactiva en la que la persona toca el cobot mientras está en funcionamiento (Figura 1).
Se requiere una evaluación de riesgos para identificar las necesidades de seguridad de las aplicaciones colaborativas individuales. Incluye identificar, evaluar y reducir los peligros y riesgos asociados con la aplicación. ISO 10218 incluye una lista de características de seguridad que pueden ser apropiadas en diversas circunstancias, pero no requisitos definitivos. ISO/TS 15066 aporta detalles adicionales a las evaluaciones de riesgos de cobots. En cada caso, el objetivo de la evaluación de riesgos es identificar los dispositivos y sistemas de seguridad externos necesarios para garantizar la implementación segura de aplicaciones colaborativas.
Para profundizar en la evaluación de riesgos y los robots, consulte el artículo "Integración segura y eficiente de los AMR en las operaciones de la Industria 4.0 para obtener el máximo beneficio".
Protección y eficiencia
Si bien los cobots están diseñados para un funcionamiento seguro, capas de protección adicionales pueden mejorar la eficiencia de las aplicaciones colaborativas. Sin seguridad adicional, cuando una persona ingresa al espacio de trabajo colaborativo, ISO/TS 15066 exige una velocidad máxima de 0.25 metros por segundo (m/s) por eje. Para la mayoría de los cobots, eso es muy lento.
Por ejemplo, el cobot Lexium LXMRL12S0000 de Schneider Electric tiene una carga útil máxima de 12 kilogramos (kg), un radio de operación (rango de trabajo) de 1327 milímetros (mm), una precisión de posicionamiento de ±0.03 mm y una velocidad máxima del extremo de la herramienta. de 3 metros por segundo (m/s), 12 veces más rápido que el máximo permitido por ISO/TS 15066 cuando una persona se encuentra en el espacio de trabajo colaborativo (Figura 2).
En muchas aplicaciones, el cobot puede funcionar solo durante largos períodos. Por lo tanto, detectar la presencia o ausencia de personas en el espacio de trabajo colaborativo puede permitir una operación mucho más rápida y una mayor eficiencia cuando no hay nadie presente. Los dispositivos comunes para detectar la presencia de personas incluyen escáneres de seguridad, cortinas de luz y tapetes de contacto de seguridad. Cada la tecnología ofrece un conjunto diferente de beneficios y, a menudo, se utilizan en combinación.
Escáneres de seguridad
Los escáneres de seguridad monitorean un área designada para detectar la presencia de personas. Pueden determinar la distancia a la que se encuentra una persona y, además de la zona de seguridad activa, implementar varias zonas de advertencia.
El modelo OS32C-SP1-4M de Omron es un buen ejemplo de escáner láser de seguridad diseñado para su uso con cobots. Tiene un radio de seguridad de hasta 4 metros (m) y puede admitir múltiples zonas de advertencia de hasta 15 m. Incluye 70 conjuntos estándar de combinaciones de zonas de seguridad y zonas de advertencia para admitir espacios de trabajo colaborativos complicados. Además, la resolución mínima del objeto se puede establecer en 30, 40, 50 o 70 mm, y el tiempo de respuesta puede variar desde 80 milisegundos (ms) hasta 680 ms, lo que aumenta aún más la flexibilidad de la aplicación (Figura 3).
cortinas de luz
Las cortinas de luz pueden medir la presencia de personas y pueden diseñarse para detectar objetos de distintos tamaños, como dedos o manos. A diferencia de los escáneres de seguridad, las cortinas fotoeléctricas no miden la distancia. Envían una serie de haces de luz entre conjuntos lineales de emisores y receptores y pueden detectar cuando un objeto rompe uno o más haces.
En términos de clasificaciones de seguridad, existen dos clasificaciones principales de cortinas de luz: Tipo 2 y Tipo 4. Tienen apariencia exterior similar pero están diseñadas para proporcionar diferentes niveles de seguridad. El tipo 4 monitorea el espacio protegido que define un espacio de trabajo colaborativo. Las cortinas de luz tipo 2 están diseñadas para aplicaciones de menor riesgo.
Las cortinas de luz protegen los perímetros y están disponibles con varios niveles de resolución, como 14 milímetros (mm) para detección de dedos y 24 mm para detección de manos. El modelo, SLC4P24-160P44 de Banner Engineering, es un kit de cortina de luz tipo 4 con un conjunto de emisores y receptores y tiene una resolución de 24 mm para proteger a personas y máquinas como cobots (Figura 4). Los emisores tienen una fila de diodos emisores de luz infrarroja modulados sincronizados. Los receptores tienen una fila correspondiente de fotodetectores sincronizados. Los emisores tienen un alcance de 2 metros y estas cortinas de luz se pueden instalar en longitudes de 160 a 320 mm en incrementos de 80 mm.
Los escáneres láser de seguridad y las cortinas de luz proporcionan medios sin contacto para mejorar la seguridad de los espacios de trabajo colaborativos. Sin embargo, pueden ser difíciles de usar en entornos ópticamente desafiantes, como áreas con superficies altamente reflectantes que pueden enviar interferencias de luz no deseadas, y pueden dispararse debido a fugas de aceite o grasa o polvo o humedad excesivos.
Algunos de estos sensores ópticos incluyen ajustes de sensibilidad que pueden ayudar a mitigar ciertos tipos de interferencias. Esos ajustes de sensibilidad también pueden aumentar los tiempos de respuesta y otros compromisos de rendimiento. Otra solución es utilizar una estera de contacto de seguridad junto con dispositivos sensores ópticos.
Alfombras de contacto de seguridad
Las alfombras de contacto de seguridad tienen dos placas conductoras separadas por una capa aislante rasterizada y se pueden usar solas o en combinación con otros tipos de sensores. Si una persona pisa el tapete, la placa conductora superior se presiona y hace contacto con la placa inferior, lo que activa una señal de alerta (Figura 5). El exterior de las alfombrillas es un material de poliuretano antideslizante e impermeable al agua, la suciedad y el aceite. El tapete SENTIR modelo 1602-5533 de ASO Safety Solutions puede conectar hasta 10 tapetes en serie a una sola unidad de monitoreo para una cobertura máxima de 10 m2.
La seguridad está en los detalles
No existe una fórmula única que garantice la seguridad. Cada aplicación colaborativa es diferente y debe manejarse en función de sus características y necesidades únicas. Un factor clave es: ¿dónde se encuentra la aplicación en el continuo de la colaboración (ver Figura 1)? Cuanto más estrecha sea la interacción entre el cobot y las personas, más protección se necesitará.
Hay más detalles a considerar. Algunos de ellos incluyen:
- Cada ubicación debe someterse a una evaluación de riesgos detallada para ver si el cobot se ha trasladado de una estación de trabajo a otra. Incluso si parecen iguales, pequeñas variaciones pueden marcar la diferencia en la seguridad.
- Si hay otras máquinas en el espacio de trabajo colaborativo, ¿es necesario que estén vinculadas al sistema de apagado o a la desaceleración de seguridad del cobot?
- Este artículo se ha centrado en el hardware relacionado con la seguridad, pero para los sistemas en red que son cada vez más comunes, la ciberseguridad es una consideración importante para evitar interferencias con el funcionamiento del cobot o los sistemas de seguridad.
Conclusión
La seguridad de los cobots es compleja. Comienza con la definición del espacio de trabajo colaborativo dentro del espacio protegido y requiere una evaluación de riesgos de la operación colaborativa. Estándares como ISO/TS 15066 y la serie ISO 10218 son importantes y brindan recomendaciones y pautas. Los cobots incluyen características de seguridad básicas como sistemas de detección de colisiones, retroalimentación de fuerza, actuadores elásticos y servomotores de baja inercia. Dependiendo de las características específicas de la aplicación colaborativa, es posible que se necesiten dispositivos de seguridad adicionales, como sensores de proximidad, cortinas de luz y tapetes de contacto de seguridad.